Une vanne inventée par Nikola Tesla en 1920 pourrait trouver une utilisation moderne

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| Leif Ristroph et al./Trust My Science

Le génie de Nikola Tesla, inventeur inégalé des années 1900, n’est plus à présenter. Durant sa vie, il est admis qu’il aurait déposé plus de 300 demandes de brevets, dont de nombreux sont restés inexploités. Parmi ces inventions, une vanne à eau unidirectionnelle sans pièces mobiles pourrait bien trouver une utilisation moderne, 100 ans après le dépôt du brevet. Selon une nouvelle étude, elle pourrait être utilisée pour pomper des fluides de moteurs en utilisant de l’énergie qui autrement serait gaspillée.

L’invention n’est pas très complexe en soi, mais comme de nombreuses de ses conceptions, elle est très ingénieuse et clairement en avance sur son temps. Le système est géométriquement plutôt complexe cependant, doté d’un conduit qui impose des efforts spécifiques aux fluides s’y déplaçant. Les contraintes mécaniques rencontrées par le fluide l’obligent à effectuer une boucle sur lui-même en divers points.

Lorsque l’eau s’écoule dans l’embouchure des boucles, elle devient turbulente et ralentit, ce qui arrête le flux. Mais si l’eau coule dans l’autre sens, elle n’entre pas dans les boucles et s’écoule librement. L’invention, que Tesla a nommée « conduit valvulaire« , a été brevetée en 1920.

Un fonctionnement réel différent de ce que Tesla prétendait

Une équipe de recherche de l’université de New York a souhaité étudier si l’invention pouvait trouver une utilisation moderne. Pour cela, Leif Ristroph et ses collègues ont construit une version de la vanne de 30 centimètres de long en suivant le plan original de Tesla.

Ils ont alors mesuré le débit dans les deux sens de fonctionnement, à différentes pressions. Bien que Tesla ait affirmé dans son brevet que la vanne pouvait faire couler l’eau 200 fois plus lentement dans un sens que dans l’autre, les chercheurs ont constaté que leur version ne la rendait que deux fois plus lente. « C’était un homme très imaginatif », déclare Ristroph. « Il est un peu difficile de savoir s’il l’a réellement fabriqué et testé. Je le soupçonne, mais il n’y a pas de documentation à ce sujet ».

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Bien que l’effet ait été beaucoup plus faible que ce que Tesla prétendait, la valve reste une conception utile, selon Ristroph, d’autant plus qu’elle n’a pas de pièces mobiles et pourrait donc être utilisée sans entretien. « Elle était connue et a été utilisée dans certaines applications, ou du moins proposée pour être utilisée. Mais personne n’avait jamais effectué un travail hydrodynamique approfondi pour comprendre son fonctionnement et son efficacité », explique Ristroph.

L’équipe a constaté qu’il n’y avait aucune différence de résistance entre les deux types d’utilisation (dans les deux sens) à faible débit. Cependant, la valve s’activait brusquement au-dessus de débits d’environ 1 centimètre par seconde et résistait de manière significative au débit inverse.

schema brevet vanne tesla
a) Schéma modifié à partir du brevet de Tesla montrant une vue en plan du « conduit valvulaire ». b) Rendu du conduit utilisé dans les expériences. Les couvercles supérieur et inférieur prennent en sandwich la géométrie interne, qui est numérisée à partir du dessin de Tesla, découpée au laser et collée. c) Schéma de la chambre de pression. Des mécanismes de débordement garantissent des niveaux d’eau fixes qui entraînent l’écoulement dans le conduit, dont l’orientation réelle est verticale, comme illustré en b.  © Leif Ristroph et al.

Ristroph pense que Tesla, qui possédait également un brevet pour un convertisseur électrique de courant alternatif en courant continu, a conçu le conduit valvulaire pour tenter d’obtenir le même type de conversion avec les fluides. L’électricité, en courant alternatif, voit les électrons inverser constamment leur sens, mais lorsqu’ils sont convertis en courant continu, ils circulent effectivement en boucle.

L’effet de pompage avancé par Tesla confirmé par l’expérience

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Les chercheurs ont également fabriqué un anneau de vannes d’eau de Tesla pour imiter le convertisseur électrique de Tesla et ont constaté qu’il était capable de traiter l’eau oscillante (ballotée d’avant en arrière par un piston) et de la convertir en un flux d’eau régulier dans une direction, obtenant l’effet d’une pompe.

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simulation flux vanne tesla
Flux simulés à travers la valve de Tesla. Les filaments colorés en bleu et vert se dispersent mais ne se mélangent pas, et l’écoulement est régulier tout au long du conduit. a) À une valeur transitoire de Re=200 (indiquant le débit), les filaments sont laminaires et réguliers pour les premières unités, instables et se mélangent au milieu, et sont presque complètement mélangés à la fin du conduit. c) À Re=400, des écoulements instables et bien mélangés apparaissent dans la majeure partie du conduit. © Leif Ristroph et al.

L’équipe pense que ce concept pourrait exploiter les vibrations des moteurs et autres machines pour pomper le carburant, les liquides de refroidissement, les lubrifiants et autres gaz et liquides. « Imaginez que ces systèmes de pompe à fluide exploitent les vibrations du moteur, qui sont déjà présentes, et les fassent circuler. Il n’y a pas de pièces mobiles. Il n’y a rien qui peut casser », explique Ristroph avec enthousiasme.

« Nos résultats confirment la conjecture de Tesla selon laquelle les performances diodiques sont renforcées pour les écoulements pulsatiles. Les liens entre la diodicité, la turbulence précoce et la pulsatilité découverts ici peuvent servir à des applications dans le domaine du mélange et du pompage des fluides », concluent les chercheurs.

Source : Nature Communications

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